重型柴油機(jī)中參數(shù)對(duì)系統(tǒng)燃燒排放的影響

郭俊寶 紀(jì)新春 康 毅 高志雄 魏 達(dá)

（山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037036）

隨著技術(shù)的持續(xù)升級(jí)，內(nèi)燃機(jī)有了更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，它在生產(chǎn)建設(shè)、道路運(yùn)輸和機(jī)械工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中是一種不可缺少的動(dòng)力機(jī)械[1]。使用內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)將能量轉(zhuǎn)化為工業(yè)價(jià)值的同時(shí)，產(chǎn)生大量的污染物。內(nèi)燃機(jī)排放的污染物主要是NOx，該類污染物對(duì)環(huán)境和人體健康安全都存在危害，因此減少內(nèi)燃機(jī)的污染物排放迫在眉睫[2]。為了保障國家能源安全，采取的一個(gè)重要措施是在能源使用領(lǐng)域內(nèi)提高能源使用效率，這樣可以減少碳排放，減輕溫室效應(yīng)，也可以降低石油需求的增速，降低其對(duì)外依賴度[3]。傳統(tǒng)柴油機(jī)使用擴(kuò)散燃燒方法，燃燒性能不夠理想，有害物質(zhì)排放多。研究主題是對(duì)柴油機(jī)的燃燒和排放性能的影響進(jìn)行研究，并提高熱效率，減少有害排放；研究的創(chuàng)新性在于擯棄傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)的擴(kuò)散燃燒方法，選擇高充量強(qiáng)混合技術(shù)，對(duì)燃燒過程中的油氣混合進(jìn)行強(qiáng)化，來提升柴油機(jī)大負(fù)荷工況下的性能。

1 強(qiáng)混合技術(shù)對(duì)重型柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的改進(jìn)及參數(shù)對(duì)燃燒和排放的影響

1.1 進(jìn)氣和噴油系統(tǒng)參數(shù)對(duì)柴油機(jī)大負(fù)荷工況下燃燒的影響

重型柴油機(jī)在大負(fù)荷工況下的噴油量較大，難以應(yīng)用新型的燃燒模式，因此多采用傳統(tǒng)的擴(kuò)散燃燒方法。為提高熱效率，需要采取措施來提升油氣混合速率。在單缸柴油機(jī)中，通過改變進(jìn)氣參數(shù)來改變對(duì)氣體的壓力、密度及循環(huán)油量對(duì)燃燒過程和有害物質(zhì)排放的影響。在噴油的瞬間，缸內(nèi)的充量密度會(huì)對(duì)噴霧的破碎、霧化和蒸發(fā)產(chǎn)生很大的影響[4]。環(huán)境密度在20kg/m3～100kg/m3，環(huán)境溫度為800K。在柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程中，進(jìn)氣壓力是一個(gè)重要的邊界條件，它與有效壓縮比共同決定了上止點(diǎn)瞬間的充量密度。在發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮過程中，花費(fèi)的時(shí)間短暫，可以看作絕熱壓縮過程。基于理想氣體狀態(tài)方程可知，上止點(diǎn)充量密度計(jì)算如公式（1）所示。

式中：Pb為進(jìn)氣壓力；Tin為進(jìn)氣溫度；ε為發(fā)動(dòng)機(jī)有效壓縮比，ρtdc為上充量密度；Ptdc為壓縮上止點(diǎn)壓力；Ttdc為壓縮上止點(diǎn)溫度。從公式（1）可以看出，當(dāng)進(jìn)氣溫度保持不變時(shí)，增大進(jìn)氣壓力可以增大氣體充量密度，以此增加缸內(nèi)的氧氣含量，來提高其燃燒效率。研究對(duì)不同充量密度對(duì)柴油機(jī)的大負(fù)荷工況下油氣混合狀態(tài)、燃燒過程、有害氣體排放的影響，在溫度為330K的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)進(jìn)氣壓力和循環(huán)油量進(jìn)行調(diào)節(jié)來改變充量密度。設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

1.2 基于強(qiáng)混合技術(shù)改進(jìn)重型柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)

雖然增大充量密度可以提高缸內(nèi)的油氣混合速率，改善燃燒性能，但是缸體存在壓力項(xiàng)指控，充量密度增加是有限的，壓力過高會(huì)給柴油機(jī)帶來更多的負(fù)擔(dān)，不利于延長柴油機(jī)的壽命[5]。為進(jìn)一步提升燃油的混合率，提出一種采用預(yù)燃室與主燃室相結(jié)合的新型預(yù)燃室射流擾動(dòng)技術(shù)，利用其在主燃燒室中產(chǎn)生的劇烈湍流，加速主燃燒室中的燃油混合，并在大尺度射流擾動(dòng)與大范圍小尺度湍流的聯(lián)合作用下，提升燃料的燃燒速率與定容，最終實(shí)現(xiàn)柴油的準(zhǔn)均質(zhì)燃燒。將預(yù)燃室和主燃燒室進(jìn)行結(jié)合，主燃燒室和預(yù)燃室都布置了噴油器來承擔(dān)放熱，預(yù)燃室主要負(fù)責(zé)形成強(qiáng)烈的擾動(dòng)射流，加速主噴燃油的快速混合和燃燒放熱，而主燃室內(nèi)燃油的燃燒是主要的功率輸出。不同燃燒系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1 不同燃燒系統(tǒng)的示意圖

研究中，為探索預(yù)燃室射流對(duì)主燃室內(nèi)燃油的油氣混合效果以及改善指示熱效率的潛力，可以將主燃室內(nèi)的燃油流動(dòng)和燃燒過程準(zhǔn)確地反映出來。使用一種標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，并研究了有無預(yù)燃室燃燒系統(tǒng)間的差異。

2 改進(jìn)后的柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的效果對(duì)比及參數(shù)在大負(fù)荷工況下對(duì)燃燒系統(tǒng)的影響

2.1 改進(jìn)重型柴油機(jī)的燃燒系統(tǒng)改進(jìn)效果分析

在改善前、改善后的柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)中，預(yù)燃室對(duì)缸內(nèi)壓力、瞬間熱效率以及缸內(nèi)平均溫度的影響如圖2所示。

圖2 預(yù)燃室對(duì)缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率和缸內(nèi)平均溫度的影響

如圖2所示，在上止點(diǎn)處，由于預(yù)燃室的形狀發(fā)生變化，在上止點(diǎn)處腔體的空間增大，壓縮比降低，因此缸內(nèi)壓力峰值小于參考缸。由于主燃室的最高爆裂壓力與參考缸接近，因此也能夠滿足高爆燃要求。同時(shí)，在上止點(diǎn)后，預(yù)燃室中的燃料在燃燒后將與主燃室間形成6MPa的壓差，同時(shí)也在主燃室中生成一股高速射流，對(duì)主燃室的燃燒進(jìn)行干預(yù)。從瞬態(tài)放熱速率變化規(guī)律來看，加入預(yù)燃器射流使瞬態(tài)放熱速率的峰值增大，并使燃燒終止時(shí)間提前。從缸內(nèi)平均溫度變化曲線可以看出，壓縮比降低，Case0上止點(diǎn)溫度低于基準(zhǔn)Case，但是溫升速率得到了提升，并且最高燃燒溫度超過基準(zhǔn)Case，這說明射流可以提升主燃室燃油的放熱速度，降低排氣溫度，減少排氣損失。

2.2 進(jìn)氣壓力參數(shù)和循環(huán)油量對(duì)柴油機(jī)大負(fù)荷工況下燃燒的影響

該文分析了不同充量密度對(duì)柴油機(jī)的大負(fù)荷工況下油氣混合狀態(tài)、燃燒過程、有害氣體排放的影響，當(dāng)溫度為330K時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，隨著進(jìn)氣壓力變化，上止點(diǎn)充量密度的變化情況如圖3所示。

圖3 上止點(diǎn)充量密度隨進(jìn)氣壓力的變化

隨著進(jìn)氣溫度和有效壓縮比增加，充量密度也會(huì)隨之增加，這表明內(nèi)燃機(jī)在上止點(diǎn)時(shí)刻燃燒的每個(gè)體積單位中含有更多的氧氣。因此，試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)一個(gè)理想的內(nèi)燃機(jī)來說，充量密度呈線性增長。為更好地了解不同進(jìn)氣壓力下的瞬間放熱率，可以通過對(duì)不同進(jìn)氣壓力下瞬間放熱效率的研究來了解內(nèi)燃機(jī)在不同工況下的運(yùn)行狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同進(jìn)氣壓力下，瞬間放熱效率都有一定的變化，其變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 不同進(jìn)氣壓力下的瞬時(shí)放熱率

如圖4所示，隨著進(jìn)氣壓力升高，瞬時(shí)放熱效率增大，燃燒時(shí)間顯著下降，更集中，因?yàn)閿U(kuò)散燃燒的放熱線效率是由油氣混合速率決定的。隨著進(jìn)氣壓力增大，充量密度增加，增加進(jìn)氣壓力可以提高燃燒室內(nèi)單位體積氣體中的含氧量，更好地促進(jìn)油氣混合。柴油機(jī)燃燒產(chǎn)生的有害物質(zhì)中的主要成分為燃燒不完全產(chǎn)生的CO氣體、未燃燒的HC、碳煙Soot和氮氧化合物NOx。研究主要對(duì)其中的CO氣體和HC進(jìn)行探究，不同循環(huán)油量影響的進(jìn)氣壓力對(duì)CO氣體和HC排放量影響如圖5所示。

圖5 不同循環(huán)油量下CO、HC排放隨進(jìn)氣壓力變化

如圖5（a）所示，當(dāng)?shù)瓦M(jìn)氣量時(shí)，CO的排放相對(duì)較高，且隨進(jìn)氣量增大而減少。在不同的訓(xùn)練油量下，CO排放有很大的差異。當(dāng)不同的訓(xùn)練油量為170mg、180mg、200mg時(shí)，CO的排放會(huì)急劇上升，這是因?yàn)镃O的氧化主要發(fā)生在熱焰反應(yīng)階段，OH自由基是CO氧化為CO2的必要條件。在較低的進(jìn)氣壓力條件下，缸內(nèi)絕對(duì)氧含量較少。隨著循環(huán)油量增加，當(dāng)量比大于1的燃油濃區(qū)就會(huì)相應(yīng)增大。在燃燒過程中，因?yàn)檠鯕獠蛔悖琌H自由基的生成也會(huì)減少，最終導(dǎo)致大量CO不能被氧化，低進(jìn)氣壓力下的不完全燃燒損失主要是因?yàn)镃O排放。如圖5（b）所示，隨著進(jìn)氣口壓力增加，HC排放呈遞增趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著進(jìn)氣壓力增加，活塞與氣缸壁間的間隙逐漸變小，導(dǎo)致混合氣過稀。在高進(jìn)氣口壓力下，可能會(huì)造成過多的混合，形成“過稀區(qū)”。降低燃燒室溫度也不利于 HC的氧化，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)間延長，HC在缸內(nèi)的氧化反應(yīng)受到抑制。HC排放隨著進(jìn)氣口壓力增加而增加。HC排放是高進(jìn)氣口不完全燃燒損失的主要原因。

3 結(jié)論

重載柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)載下的能耗較高，其擴(kuò)散燃燒速率及有害氣體的排放與燃料中的油氣混合有關(guān)。提高油氣混合速度是實(shí)現(xiàn)大負(fù)載條件下燃料高效清潔燃燒的關(guān)鍵。研究利用高密度的混合基團(tuán)來增強(qiáng)油氣混合，使燃料迅速燃燒，從而提高柴油機(jī)在大負(fù)載條件下的機(jī)械性能。試驗(yàn)表明，隨著進(jìn)氣壓力增加，汽油在缸內(nèi)的濃度增加，汽油在缸內(nèi)的平均溫度下降，汽油在缸內(nèi)的摻混速度加快，對(duì)尾氣中有害物質(zhì)的改善作用顯著，當(dāng)循環(huán)油量為170mg、180mg、200mg時(shí)，CO排放量上升。當(dāng)循環(huán)油量為150mg時(shí)CO排放量最低，當(dāng)循環(huán)油量為190mg時(shí)HC排放量最低。當(dāng)進(jìn)氣壓力為0.36MPa時(shí)瞬間放熱率最大。柴油機(jī)的進(jìn)氣和噴射參數(shù)直接影響缸內(nèi)燃料的摻混以及柴油機(jī)的燃燒和排放特性。